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電子機械與電氣傳動論文
一、我們正處在電子機械的時代
縱觀機械產(chǎn)品的發(fā)展史，可以區(qū)分為四個明顯的過程。最早的機械是以機器的機構(gòu)、結(jié)構(gòu)為主體，加上執(zhí)行機構(gòu)和能源組成。能源主要是人力、畜力、水力、風(fēng)力等。這是原始的機械時代。后來發(fā)展到了用蒸汽作能源，以熱力機械作為執(zhí)行機構(gòu)，這是人類發(fā)展史上的一大進步，機械產(chǎn)品的生產(chǎn)效率也躍上一個新臺階。建筑在熱力學(xué)基礎(chǔ)上的這一代機械產(chǎn)品可以稱之為熱力機械。當(dāng)發(fā)明了發(fā)電機和電動機之后，電取代了蒸汽成了主要的能源，而執(zhí)行機構(gòu)則是以電動機為主體的電氣傳動機構(gòu)，電氣傳動這門技術(shù)開始與機械結(jié)上了不解之緣。這又是一個劃時代的技術(shù)革命。這個時代的機械主要以電工技術(shù)為支掙，包括復(fù)雜機械的控制、操作也大都是以基于黽磁學(xué)原理的各種電器來實現(xiàn)的，成為電氣機械的時代?這個時代的機械，已經(jīng)實現(xiàn)了機、電的結(jié)合,不過這種結(jié)合,主要是從外部以獨立分體的方式進行，機與電之間的界限比較分明。第三次世界技術(shù)革命的浪潮把以電子技術(shù)為核心的電力電子器件、電子計算機、傳感器、控制器、微電子芯片等導(dǎo)入機械系統(tǒng)，構(gòu)成了以電子計算機等微電子軟、硬件產(chǎn)品為神經(jīng)中樞、傳感器為耳目、電動機為手足、機械本體為軀干、電力電子換能器等為生命源泉的新一代智能化的機械產(chǎn)品。這類機械在原來機、電結(jié)合的*礎(chǔ)上，融入了各類電子產(chǎn)品。電子技術(shù)、特別是電子計算機技術(shù)、以其強大的滲透力融入機械的各個要素中，形成緊密的、有機的結(jié)合，強弱電、硬軟件、機與電混然成一體，所以大家都習(xí)慣稱這類產(chǎn)品為機電一體化產(chǎn)品。
關(guān)于機電一體化這個詞，國內(nèi)專家學(xué)者已經(jīng)從不同的側(cè)面作過許多注釋，但至今尚沒有一個統(tǒng)一的定義。而且相當(dāng)一部分人認為，機電一體化這個詞并未能很貼切地表達tb這一代機械的主要特征，有時還會使人產(chǎn)生某些誤解，因為電氣機械時代.也已經(jīng)是機與電的結(jié)合了。這一代產(chǎn)品的主要特征是微電子技術(shù)的融入與滲透，應(yīng)該突出的是其電子為主導(dǎo)的內(nèi)涵。因此，把這最新一代的機械產(chǎn)品稱之為電子機械，可能更合適些。日本人分別用機械學(xué)（mechanics)和電子學(xué)（elec?tronics)兩個英文字的前半部與后半部結(jié)合創(chuàng)造了一個“mechatronics”的新詞來描述這一代機械的特征，是很有新意的。把這個詞翻譯成為“電子機械學(xué)”也比較符合造字者的原意，因為mechanics和electronics兩個字的最特征部分都在字首，而mechatronics保留了機械學(xué)一詞的字首而用了電子學(xué)一詞的字尾，其含意也應(yīng)是重點落在“機械”上。按中國語法，“電子機械學(xué)”恰好是把重點落在“機械”一詞上，比較貼切。如果把它翻譯成“機電一體化”，就把“電子”這一最根本的含意弄得反而含混不清了。
機械產(chǎn)品經(jīng)歷了原始機械時代、熱力機械時代、電氣機械時代'發(fā)展到今天已經(jīng)進入了電子機械的新時代了。
二、電子機械與電氣傳動
一個電子機械產(chǎn)品，可以用圖1中所示的五個要素及其相互作用來表達。
能源主要是電力及其變流、變壓、變頻等電力電子裝置，部分為液壓、氣壓源。執(zhí)行機構(gòu)主要是電氣傳動設(shè)備，少量是液動、氣動設(shè)備。傳感器主要是各種電、熱、壓、流、位、聲、光等參量的檢測裝置。機械本體則是實現(xiàn)某種功能的機_、結(jié)構(gòu)。處理器居于核心地位,它是以微處理機或電子計算機為基礎(chǔ)的電子電控系統(tǒng)與設(shè)備，它與其它四個要素都有直接的信息溝通.起著判斷、塊調(diào)、指揮作用。五個要素不是獨立組件的簡單集結(jié)，而是你中有我、我中有你、相互滲透、融為一體,從而構(gòu)造成一代嶄新的機械產(chǎn)品。
電氣傳動自動控制系統(tǒng)是現(xiàn)代化電子機械五要素的集成化體現(xiàn)，其復(fù)蓋面如圖2所示。電氣傳動自動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分是作為執(zhí)行機構(gòu)用的電動機3其電源，若是變壓、變頻、變流或是變頻變壓的，主要是由各種電力電子變換裝置控制r若是恒壓的，則由以電磁接觸器或電子接觸器為基礎(chǔ)的電機控制中控制中心等是電氣傳動自動控制系統(tǒng)的主體部分，它把能源要素的絕大部分及其與執(zhí)行機構(gòu)之間的傳遞環(huán)節(jié)都復(fù)蓋在內(nèi)了。在新型的電子機械中，作為機械本體的機構(gòu)、結(jié)構(gòu)部分，因機電之間的有機融合，某些過去需由各種機械傳動鏈聯(lián)成一體的機構(gòu),有可能設(shè)計成若干個機電融合的獨立部件，通過電控系統(tǒng)而集成為一體。因此電氣傳動自動控制系統(tǒng)也就侵入到了機械本體的相當(dāng)一部分。整個電氣傳動自動控制系統(tǒng)控制策略的體現(xiàn)，大多是以微處理器、單片微型計算機等為核心的控制單元，專用集成電路芯片:可編程序控制器和作為總體監(jiān)控的電子計算機及各種控制專用軟件包等構(gòu)成。它履行“處理器”這一核心要素的全部功能，是現(xiàn)代電子機械的靈魂。傳感器要素中，有些變送器是純屬儀表行業(yè)的范疇，但有些參數(shù)的測量，比如電機轉(zhuǎn)速、鋼卷直徑、各種電.量等，以及某些傳感元件檢出信號的加工4理，有時是要靠電氣傳動系統(tǒng)來進行的。所以電氣傳動與傳感器要素之間的界限也是模糊的。由此可見，電氣傳動自動控制系統(tǒng)是電子機械中的一個十分重要而且是不可分割的組成部分。就是靠了它，才把電子機械的五要素連結(jié)成為一個有機的整體。它在一個大型復(fù)雜的電子機械中所占的投資比重，已經(jīng)比電氣機械時代大為提高了。因此在電子機械的總體設(shè)計中，必須對電氣傳動自動控制系統(tǒng)給予通盤的考慮，足夠的重視，才能真正創(chuàng)造出一代嶄新的、機械與電子高度融合的好產(chǎn)品來。
三、電子機械時代的電氣傳動發(fā)展方向
電氣傳動自動控制系統(tǒng)為了適應(yīng)電子機械時代的新要求，并結(jié)合其自身發(fā)展的規(guī)律，目前正朝著以下幾個主要的方向發(fā)展。
1.加速傳動電機交流化的進程
在電子機械中，傳動電機?機械部件在空間上的結(jié)合將愈來愈緊密，對性能好、體積小、少維護的電機有強烈的要求，而交流電機正好符合這一要求，從電氣傳動自身發(fā)展進程看，調(diào)速電氣傳勁領(lǐng)域中長期由直流調(diào)速傳動占^主導(dǎo)地位的形勢在80年代后期出現(xiàn)了重要的_機》交流電機調(diào)速傳動的技術(shù)日趨完善，主要性能指標(biāo)，如調(diào)速精度、響應(yīng)截止頻率、調(diào)速范圍等均開始超過直流調(diào)速傳動,而轉(zhuǎn)矩/電流的脈動率和價格則降到與直流調(diào)速傳動的同等水平，這是交流調(diào)速傳動時代來臨的先兆。到了90年代初，交流調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)在發(fā)達國家中的銷售量也開始超過直流調(diào)速傳動系統(tǒng)，標(biāo)志著交流調(diào)速傳動時代的真正到來。在各種調(diào)速電氣傳動領(lǐng)域中加快采用交流調(diào)速傳動系統(tǒng)的進程.是國際發(fā)展的新潮流。在這個潮流中，感應(yīng)式電機、同步電機當(dāng)然占著主導(dǎo)地位，但一種比鼠籠式感應(yīng)電機結(jié)構(gòu)更簡單、可靠，控制更方便的開關(guān)磁阻式電機，有可能在中小功率范圍內(nèi)與鼠籠電機爭雄，會占有一部分市場，這個動向在歐洲表鱔得更明顯些，值得引起注意。.
當(dāng)前交流調(diào)速傳動的分野大體如下。
鼠籠式感應(yīng)電機:500kW以下，用電壓型變流器+IGBT逆變器供電；2000kW以下，用電壓型變流番+GTO逆變器供電;4000kW以下，用電流型變流器+GTO逆變器供電;7500kW以卞，用循環(huán)變流器供電。
滑環(huán)式感應(yīng)電機(雙饋）:3000kW以下.用循環(huán)變流器供電UOOOOkW以下，用電流型變流器+晶閘管逆變器供電。
永磁式同步電機ilOkW以下，用電壓型4-變流器+IGBT逆變器供電；lOOOkW以下，用電壓變流器+GTO逆變器供電。
勵磁^同步電機：10000kW以下，用循環(huán)變流器&電>20000kW，以下，用電流型變流器+晶閘管逆變器供電。
開關(guān)磁阻式電機:100kW以下，甩電壓型變流器+GTO逆變器供電。
2.研制無公畬的“綠色”電力電子傳動系統(tǒng)
電力電子傳動系統(tǒng)的廣泛應(yīng)甩，對電網(wǎng)造成了無功沖擊、諧波污染、通訊受擾等公害。目前采用事后補救的辦法，如用無功功率補償裝置、濾波器等，能收到?定的效果，但這畢竟是一種被動的治標(biāo)措施。我們應(yīng)該更積極主動地利用電力電子器件研究的最新成果，以及各種新型的電路理論，采取治本的措施，大力研制對外界無公畬的“綠色”電力電子傳動系統(tǒng)，向著功率因數(shù)為一，電流波形為正弦，電壓電流過零時切換，無電磁輻射等方向努力。比如對大功率傳動系統(tǒng)，在常規(guī)開關(guān)頻率下，可以研制具有容性的晶閘管變流器與具有感性的晶_管變流器互補供電的方式來實現(xiàn)功率因數(shù)為一；或應(yīng)用三電平的GTO-PWM技術(shù)，同時對整流和逆變進行控制，以取得大型感應(yīng)電機無電流與轉(zhuǎn)矩脈動的控制效果等。對中小功率的傳動系統(tǒng)，則可考慮用提髙PWM開關(guān)頻率的方法，既在直流側(cè)、也在交流側(cè)進行PWM控制，使網(wǎng)側(cè)、負荷側(cè)均能得到較好的正弦波;或采用諧振原理，在電流或電壓過零時切換的軟開關(guān)技術(shù)與PWM技術(shù)復(fù)合，以求消除高頻通斷切換時的干擾與損耗等。
3.應(yīng)用新型控制策略，提離系統(tǒng)智能化水平
電子機械的重要特點之一是其智能化程度高，對環(huán)境、負荷等變化的自適應(yīng)能力強。最近一些嶄露頭角的新型控制策略,對提高系統(tǒng)的智能化水平有重要作用，受到電氣傳動界的普遍關(guān)注。比如：應(yīng)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)原理，在感'應(yīng)電機非直接矢量控制系統(tǒng)中，對在各種轉(zhuǎn)速和負荷下電機參數(shù)的變化進行實時的自學(xué)習(xí)，并據(jù)此對電機的轉(zhuǎn)速進行精確的自適應(yīng)控制，使電機的磁化電流和轉(zhuǎn)差頻率實現(xiàn)最優(yōu)化;應(yīng)甩狀態(tài)變量觀測器技術(shù)，在具有強機械扭振的傳動系統(tǒng)中進行扭振源的在線觀測，并據(jù)此來設(shè)計強魯棒性的速度調(diào)節(jié)器，以實現(xiàn)抗扭振的控制；應(yīng)用模糊控制技術(shù)，繞過需要確定被控對象的精確數(shù)學(xué)模型這一難關(guān)，對非線性、強耦合、多變量的復(fù)雜系統(tǒng)進行智能化控制;應(yīng)用故障自診斷技術(shù)，對大型、復(fù)雜的系統(tǒng)進行故障隱患預(yù)報、故障源快速定位、故障前數(shù)據(jù)的自動記錄，以提高系統(tǒng)的可靠性等。其它一些新型的控制策略，如滑模變結(jié)構(gòu)控制、參數(shù)自整定控制、交流調(diào)速傳動中的轉(zhuǎn)矩直接控制、無速度傳感器的矢量控制等的實際應(yīng)用都將會對電氣傳動自動控制系統(tǒng)和智能化起到重要的推動作用。
4.控制系統(tǒng)硬件的集成化
利用不斷發(fā)展、日趨成熟的大規(guī)模集成電路工藝，把電氣傳動自動控制系統(tǒng)中的某些控制電路,凡是相對固定的部分，集成化為若干個專用1C芯片(ASIC)使整個系統(tǒng)的構(gòu)成快速、靈活、可靠、小型、輕量。目前國際市場上已有幾十種這類ASIC芯片面市，如VECOM,VectorDSP,TRANSputer等；包括矢量控制、功率因數(shù)的有源修正、零電流與零電壓諧振逆變開關(guān)、軟開關(guān)等控制均已有專用ASIC可供。一種標(biāo)準(zhǔn)電力電子控制單71：.尺寸為16.0X100mm2，裝有一塊88mm2的AS1C,含有12000個門和運放、比較器等線性電路，全部控制功能都集成在該電路中，該單元可直接驅(qū)動容量達400kVA的IGBT裝置，實現(xiàn)矢量控制等多種用途。
集成化的另一個含義是，把控制、保護電力電子器件的相關(guān)電路，以及電氣傳動自動控制的某些電路，同時集成在一個電力電子器件的芯片上，構(gòu)成強弱電一體，主電流變換與控制合一的新型電力電子器件，比如已商品化的SmartPower器件，即是一知。另一種稱為智能化功率模塊(IPM)的產(chǎn)品，則是混合式功率集成電路的一個代表。它把功率器件和各種集成電路芯片，以及難以集成到硅片上去的變壓器、電感、大電容等，用厚膜技術(shù)、缽膜技術(shù)等封裝成緊湊的模塊，用以構(gòu)成一個PWM三相全橋逆女轉(zhuǎn)，其被控電機的功率可達2kW。一種可同時驅(qū)動及保護由6個MOSFET或IGBT器件組成的PWM三相逆變?nèi)珮螂娐返亩喙δ芄β始蓧K，也己有商品面市，為交流變頻調(diào)速裝置的小型化、可靠性提供了新的成果�？刂葡到y(tǒng)硬件集成化的結(jié)果，最終將有可能把被控電機與其控制系統(tǒng)集成在一個電機機殼內(nèi)，構(gòu)成所謂的智能化電機。日本、歐洲在小功率范圍內(nèi)已做出產(chǎn)品。
5.控制系統(tǒng)的軟件化
電子機械是一個高度智能化、柔性化的系統(tǒng),它除了依靠先進的控制策略與現(xiàn)代化的電子技術(shù)產(chǎn)品來實現(xiàn)以外，還有一個突出的手段就是使控制系統(tǒng)軟件化。在以計算機為基礎(chǔ)的相同硬件配置下，通過軟件的不同配合，可以實現(xiàn)多種不同的控制功能。比如對直流電機、感應(yīng)電機、同步電機等的控制，可以用同樣的一個硬件配置、不同的軟件配合來實現(xiàn)，簡化了硬件結(jié)構(gòu)，提高了柔性�，F(xiàn)在市面上已經(jīng)可以買到具有不同功能的各種通用軟件包�？刂葡到y(tǒng)的軟件化對CPU芯片提出了更高的要求，微電子技術(shù)的不斷進步，將為控制系統(tǒng)軟件化提供更有利的條件.通過控制系統(tǒng)的軟件化與通過專用ASIC進行固化的相互配合，可以使傳統(tǒng)的電氣傳動自動控制系統(tǒng)面貌為之一新。
6.向高頻化進軍
充分利用新一代高頻電力電子器件.如VDMOS管、MOSFET管、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、靜電感應(yīng)晶閘管（SITH)，以及功率器件(MCT)等提供的可能性，研究探索發(fā)展一代高頻的（比如20kHz)電機、電器、電控裝置，以求大大地縮小電氣傳動自動化控制設(shè)備的體積、重量'。電氣設(shè)備的體積和重量是與其供電頻率的平方根成反比的，按20kIiZ設(shè)計的,龜氣設(shè)備.其體積重量只有50HZ的1/20。這就為機械與電子實現(xiàn)真正意義的融合提供新的物理基礎(chǔ)。一?個多電機傳動的復(fù)雜的電子機械系統(tǒng)可以設(shè)計為若干個機電完全融合、電機與電控系統(tǒng)集成化的自主單元系統(tǒng)的總成。這種自治式分布系統(tǒng)是機械電子融合的，種最新的發(fā)展趨向。
四、結(jié)論
(1)機械產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到了機械與電子高度融合的時代_把這個時代的產(chǎn)品稱之為機電一體化產(chǎn)品似乎不夠確切，稱之為電子機械更合適些。
(2)電氣傳動自動控制系統(tǒng)是電子機械產(chǎn)品中的靈魂f通過它把電子機械產(chǎn)品中的五要素連結(jié)成為一個有機的整體。進行電子機械的設(shè)計必須把電氣傳動自動控制系統(tǒng)同時一并地加以融會貫通的考慮，才能得到一個好的產(chǎn)品。
電子機械時代的電氣傳動自動控制系統(tǒng)正沿著交流化、無公害化、智能化、集成化、軟件化、高頻化的方向發(fā)展。
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